JVM垃圾收集器--分区收集器

G1收集器

属性

G1（Garbage-First Garbage Collector）在 JDK 1.7 时引入，在 JDK 9 时取代 CMS 成为了默认的垃圾收集器。G1 有五个属性：分代、增量、并行、标记整理、STW。

分代

G1收集器将内部分为多个大小相等的区域，另外每个区域都可以是新生区，老年区，幸存者区。如图：

我们也可以设置大小，可以通过 -XX:G1HeapRegionSize=n 来设置 Region 的大小，可以设定为 1M、2M、4M、8M、16M、32M（不能超过）。

在G1中，有专门分配大对象的区域，叫做大对象区，当对象的大小超过设定大小的百分之五十时，这个时候，就可以将对象放入大对象区域。而且一个大对象如果太大，可能会横跨多个 Region 来存放。

增量

G1收集器不必一次性将所有区域的垃圾都进行一次回收，只需要以增量的方式，循序渐进即可。这样做可以有效地控制停顿时间，尤其是处理大对象区的时候。

并行

G1收集器可以让多个CPU执行垃圾收集的过程。可以使垃圾收集的时间变短，这一特性在年轻代的垃圾回收中更加明显，因为年轻代多数都是朝生夕死的，所以需要更高的回收效率。

标记整理

G1收集器在进行老年代垃圾回收的时候是基于标记整理算法的。它可以将内存碎片进行整理，来提高内存利用率。

但是要注意年轻代使用的是标记复制算法，因为年轻代大部分都是朝生夕死，没有几个能存活下来，所以用标记复制算法效率更高。

STW

在上篇文章，就进行了对STW的解释，具体可以看上篇文章。

G1收集器在垃圾回收的时候仍然需要STW，因为Young GC、Mixed GC 都是基于标记复制，标记复制算法有个转移的过程，这个过程是需要STW，而Full GC基于标记整理，标记整理的过程也需要STW。不过，G1 在停顿时间上添加了预测机制，用户可以指定期望停顿时间。

垃圾回收模式

G1有三种清理模式 : Young GC、Mixed GC 和 Full GC。

Eden 区的内存空间无法支持新对象的内存分配时，G1 会触发 Young GC。

当分配对象到大对象区或者堆中的占比超过参数-XX:G1HeapWastePercent 所设置的值InitiatingHeapOccupancyPercent 时，会触发一次concurrent Marking。作用是计算老年代中有多少对象需要回收。当占比超过-XX:G1HeapWastePercent 所设置的老年代中的G1HeapWastePercent 比例时，会触发一次Mixed GC.

Mixed GC 是指回收年轻代的 Region 以及一部分老年代中的 Region。Mixed GC 和 Young GC 一样，采用的也是复制算法。

此外，我们可以借助 -XX:MaxGCPauseMillis 来设置期望的停顿时间（默认 200ms），G1 会根据这个值来计算出一个合理的 Young GC 的回收时间，然后根据这个时间来制定 Young GC 的回收计划。

G1收集器到底是怎么控制停顿时间的？

我们在增量中写到，G1收集器不必一次性回收整个堆区或者整个新生代等，他的回收是基于所分配的最小region区域，使回收的部分每次都是region的整数倍，这样可以更好控制停顿时间。

可能大家又问，为什么控制垃圾回收区域是region整数倍就能指定停顿时间？

具体来讲，在G1收集器内部，会设置个优先级队列。他会跟踪各个region里面垃圾堆积的价值，价值也就是回收所获得的空间大小以及回收所需要的时间，然后根据这个价值，在优先级队列之中排好序。这样就可以每次根据用户指定的停顿时间，来控制垃圾回收，到底回收多少，并且回收的是价值最高的垃圾，这也就是为什么叫做Garbage first 收集器。

G1收集器如何运作

G1收集器和CMS收集器过程是类似的，分为四个步骤

初始标记：仅仅只是标记一下与GCRoot直接关联的对象，并且修改TAMS指针的值。（并发分配的新对象的指针值在TAMS上），这个过程需要短暂的暂停用户线程。

并发标记：从GCRoot 开始对所有对象进行可达性分析，找出要回收的对象，这个过程耗时长，但是可以与用户进程并发进行。

最终标记：对用户做一个短暂暂停，用于处理并发结束后仍遗留的少量的STAB记录，STAB是快照。

筛选回收：更新Region数据，并进行垃圾回收，进行对象移动，对各个Region的区域进行价值排序。因为要进行对象移动，所以暂停用户进程。

ZGC收集器

ZGC（The Z Garbage Collector）是 JDK11 推出的一款低延迟垃圾收集器，适用于大内存低延迟服务的内存管理和回收，SPEC jbb 2015 基准测试，在 128G 的大堆下，最大停顿时间才 1.68 ms，停顿时间远胜于 G1 和 CMS。

ZGC收集器和CMS的Young GC、Mixed GC类似，基于标记复制算法。但是为什么ZGC停顿时间更短？

ZGC 在标记、转移和重定位阶段几乎都是并发的，这是 ZGC 实现停顿时间小于 10ms 的关键所在。

那ZGC 怎么做到的？

它基于两个特性：

指针染色（Colored Pointer）：一种用于标记对象状态的技术。
读屏障（Load Barrier）：一种在程序运行时插入到对象访问操作中的特殊检查，用于确保对象访问的正确性

指针染色

指针上面不只有对象的地址，还有对象的状态（是否存活），是否被移动了（在转移的过程中，别的线程又调用对象），还有对象是否有某种特殊状态或者是否被锁定.

通过在指针中嵌入这些信息，ZGC 在标记和转移阶段会更快，因为通过指针上的颜色就能区分出对象状态，不用额外做内存访问。因为如果没有指针颜色的话，需要根据地址访问内存，才能查看状态。

读屏障

当程序尝试读取一个对象时，读屏障会触发以下操作：

检查指针染色：读屏障首先检查指向对象的指针的颜色信息。
处理移动的对象：如果指针表示对象已经被移动（例如，在垃圾回收过程中），读屏障将确保返回对象的新位置。
确保一致性：通过这种方式，ZGC 能够在并发移动对象时保持内存访问的一致性，从而减少对应用程序停顿的需要。

ZGC 的工作过程

ZGC 周期由三个 STW 暂停和四个并发阶段组成：标记/重新映射( M/R )、并发引用处理( RP )、并发转移准备( EC ) 和并发转移( RE )。

Stop-The-World 暂停阶段

标记开始（Mark Start）STW 暂停：这是 ZGC 的开始，进行 GC Roots 的初始标记。在这个短暂的停顿期间，ZGC 标记所有从 GC Root 直接可达的对象。
重新映射开始（Relocation Start）STW 暂停：在并发阶段之后，这个 STW 暂停是为了准备对象的重定位。在这个阶段，ZGC 选择将要清理的内存区域，并建立必要的数据结构以进行对象移动。
暂停结束（Pause End）STW 暂停：ZGC 结束。在这个短暂的停顿中，完成所有与该 GC 周期相关的最终清理工作。

并发阶段

并发标记/重新映射 (M/R) ：这个阶段包括并发标记和并发重新映射。在并发标记中，ZGC 遍历对象图，标记所有可达的对象。然后，在并发重新映射中，ZGC 更新指向移动对象的所有引用。
并发引用处理 (RP) ：在这个阶段，ZGC 处理各种引用类型（如软引用、弱引用、虚引用和幽灵引用）。这些引用的处理通常需要特殊的考虑，因为它们与对象的可达性和生命周期密切相关。
并发转移准备 (EC) ：这是为对象转移做准备的阶段。ZGC 确定哪些内存区域将被清理，并准备相关的数据结构。
并发转移 (RE) ：在这个阶段，ZGC 将存活的对象从旧位置移动到新位置。由于这一过程是并发执行的，因此应用程序可以在大多数垃圾回收工作进行时继续运行。